油页岩开发利用技术进展

(中国尤氏大学石油工程学院，山东青岛266555)

作者简介:雷光伦，男，教授，博士生导师，主要从事油气田开发的教学和科研工作。邮箱:leiglun@163.com .

摘要:常规的油气生产远远不能满足国内对石油的需求。在众多非常规油气资源中，油页岩以其巨大的储量和开发优势受到越来越多的关注。页岩油的生产是页岩油的主要用途之一。通过对油页岩开发利用技术的研究，指出了生产油页岩的两条途径，并沿着这两条途径介绍了油页岩开采技术、地面干馏法和就地开采技术。介绍了油页岩的露天开采和地下开采方法。通过实验模拟，研究了加热温度、加热时间和加热速度等因素对页岩油干馏产率的影响。实验结果表明，加热温度约为500℃；加热时间达到1h；加热速度对出油率影响不大。比较了抚顺发生炉、Kievit炉、Petelaud Essex炉、Glot炉和Tasek炉等地面干馏设备的产量、运转率和出油率，分析了各种干馏设备的特点和适用性。阐述了壳牌ICP技术、埃克森美孚ElectrofracTM技术、IEP燃料电池技术、PetroProbe空气加热技术和雷神RF/CF技术等油页岩原位开采技术的原理和技术特点，指出多种技术的相互渗透、综合、集成和应用是油页岩原位开采技术的发展趋势，实现规模化、低成本、高效率开采是油页岩规模化、低成本、高效率开采的重要发展方向。

关键词:油页岩；页岩油；采矿技术；地面干馏；原地采矿

油页岩生产的技术进展

雷广林、、姚传金、孙

(中国石油大学石油工程学院，青岛266555)

摘要:常规油气产量不能满足国内需求，在众多非常规资源中，油页岩因其巨大的储量和开发优势越来越受到重视。页岩油生产是油页岩的主要用途之一。在研究油页岩开采和利用的基础上，提出了页岩油生产的两种途径，并介绍了油页岩开采、干馏和原地开采技术。叙述了露天开采和地下开采方法。通过实验模拟研究了页岩油回收的影响因素，包括加热温度、加热时间和加热速率。结果表明，最佳加热温度和加热时间分别为500℃和65438±0h，而加热速率对其影响不大。比较了油页岩干馏设备的处理能力、活性率和页岩油回收率，包括抚顺干馏炉、Kiviter干馏炉、Petrosix干馏炉、Galoter和ATP干馏炉。介绍了油页岩原位开采技术的机理和特点，包括ICP、ElectrofracTM、IEP燃料电池技术、PetroProbe的空气加热和雷神公司的RF/CF技术。基于高新技术的渗透、组合和应用，油页岩原位开采的发展趋势是大规模、低成本、高效率。

关键词:油页岩；页岩油；开采和使用；露天开采原地开采

介绍

早在1830年，人类就已经开始开发利用油页岩。1890之后，由于石油行业的快速发展，油页岩行业迅速萎缩。我国对油页岩的利用始于1928。20世纪50-60年代，页岩油是中国合成液体燃料的三大支柱之一。1960之后，大庆油田和胜利油田的发现和开采，使我国油页岩产业进入停滞阶段。

进入21世纪后，国际油价持续上涨。2008年7月，国际油价达到149美元/桶的历史高点。另一方面，国内石油供应不足的矛盾越来越突出，成为中国经济发展的“瓶颈”。根据国内油气资源和生产能力，未来供需缺口将越来越大，石油进口将继续增加，对外依存度提高带来的风险也将越来越重。在众多保证液体燃料供应的方法中，页岩油是更现实的石油替代能源。据国土资源部统计，我国油页岩预测资源量为7200亿吨，折合成页岩油476亿吨[1]。因此，大规模勘探开发油页岩对缓解国内油气供需压力具有重要意义。

目前油页岩的开采技术主要有:露天开采、地下开采、原地开采等方法。其中，页岩油的制作方式主要有两种:(1)开采油页岩矿石到地面，然后在地面干馏；(2)油页岩通过地下加热技术在地下干馏，生产出页岩油[1，2]。本文从这两个方面介绍了油页岩开采技术的现状，并指出了未来的发展趋势。

1油页岩开采技术

1.1露天开采技术

露天开采是指剥离覆盖在矿体上的土石方，将矿体自上而下分成若干台阶，直接露天开采的方法。露天开采首先必须考虑的条件是油页岩埋深，一般不超过500m·m，此外还要考虑剥采比，即覆盖页岩时剥离的岩土量与可开采的页岩量之比，是露天开采经济性的重要因素。如果油页岩薄，其上覆盖的岩土厚，即剥采比大，即使油页岩埋深浅，油页岩开采成本也会高。

露天开采的主要工序有:岩石穿孔、爆破、岩土和油页岩的开采和装载、岩土和油页岩的运输。用钻机爆破坚硬岩石和中硬油页岩，以便于挖掘。如果没有坚硬的地层，可能就不用打孔爆破了。岩石、土壤和油页岩可以用单斗挖掘机、轮斗挖掘机、斗式挖掘机和其他采矿和剥离设备收集和安装。目前，油页岩是在露天开采的。对于覆盖层薄、油页岩层厚、剥采比小的矿区，我国不同条件下每吨油页岩开采成本约为40 ~ 80元。

图1长壁采煤法示意图

1.2地下开采技术

油页岩地下开采是指通过竖井进入地下工作面，将油页岩运输到地面。井下工作面是油页岩开采的工作场所，在这里进行油页岩的开采、运输、支护、采空区处理等过程。主要包括壁式采矿法和房柱式采矿法[1]。

1.2.1壁式采煤法

壁式采煤法分为短壁工作面和长壁工作面。短壁工作面长度一般在50m以下，多用于小型矿井。长壁工作面较长，一般超过100m .图为长壁采煤法示意图。回风平巷和运输平巷分别沿走向布置在工作面上方和下方，在工作面和采区之间形成通风、运输和人行通道。

1.2.2房柱式采煤法

房柱式采煤法是指从采区巷道中每隔一定距离挖出房间，开采油页岩，留下油页岩矿柱支撑顶板。柱子呈圆形、长方形或条状，排列规则。通常房宽6 ~ 12m，柱宽3 ~ 6m。当顶板稳定性稍差、矿石价值较低或开采后采空区作为地下建筑时，采用条形连续矿柱。矿柱一般不回收，占总矿量的15% ~ 40%。由于房柱式采煤法不够安全，其应用越来越少。

2油页岩干馏工艺

2.1影响油页岩干馏的因素

目前页岩油的生产主要是通过干馏页岩油来实现的。油页岩干馏是在隔绝空气的条件下加热到约450 ~ 550℃的温度，使其热解生成页岩油、页岩半焦和热解气体的方法。影响页岩油产率的主要因素是加热温度、加热时间和加热速度。本文利用金戈干馏试验装置，以抚顺典型油页岩为例，对干馏的影响因素进行了实验研究。

2.1.1加热温度的影响

将粒度为1 ~ 2mm的抚顺油页岩以5℃/min的升温速度加热至不同温度，恒温加热5h，然后在此恒温下测定页岩油产率。测试结果如图2所示:

从图2可以看出，随着恒定加热温度的升高，分解得到的页岩油产率不断增加。然而，当温度升至500℃时，温度进一步升高，页岩油产率的增加并不显著。该表表明，当温度达到500℃，恒温5小时，热解反应基本完成，生产页岩油所需温度不高，500℃左右。温度过高会导致矿物质中所含的结晶水分解，从而消耗大量能量。因此，为了获得页岩油，抚顺油页岩干馏的最终加热温度为500℃。

2.1.2加热时间的影响

以2℃/min的升温速率加热粒度为1 ~ 2mm的抚顺油页岩。不同温度下加热时间与页岩油产率的关系如图3所示；

图2加热温度对页岩油产率的影响

图3加热时间对页岩油产率的影响

从图3可以看出，在加热温度为375℃之前，页岩油释放量总是随着加热时间的延长而增加。但在450℃时，加热超过65438±0h，页岩油不会释放出来。这说明有机物的热解反应已经完成。因此，加热温度越高，油页岩中有机质的分解速度越快，达到最大页岩油产率所需的时间越短。如果热解温度在500℃以上，有机物的热分解反应可以在短时间内完成，但加热时间对页岩油产率没有明显影响。因此，最终加热温度是影响热分解反应的主要因素。

图4加热速度对页岩油产率的影响

2.1.3加热速度的影响

将粒度为65438±0～2mm的抚顺油页岩以不同的升温速率加热至500℃，保温65438±0h。不同升温速率与页岩油产率的关系曲线如图4所示。

从图4可以看出，当升温速度从2℃/min提高到20℃/min时，页岩油产率略有提高，但幅度很小。因此，在设计干馏设备时，可以采用强化干馏的方法来提高加热速度，使油页岩快速达到规定的最终温度。这样可以大大缩短干馏时间，提高效率。

2.2地面干馏设备

油页岩的地面干馏主要通过干馏炉来实现。干馏炉的技术指标主要包括出油率、年开工率和适应性。目前世界上比较成熟的炉型主要有抚顺发生炉、Kievit炉、Petelaud Essex炉、Glot炉和Tasek炉[3 ~ 6]。干馏设备参数对比见表1。

表1油页岩干馏设备对比

中国的抚顺式生产商产能较小，与实验室铝干馏炉相比，产油量较低，加工块状页岩的工艺也不太先进。但它是一种成熟的炉型，可以处理贫矿，操作弹性好，运行经验长，投资少，建设快，适合小工厂。富顺式炉虽然容量小，但20炉合为一炉，一炉油页岩日产量可达2000 ~ 4000吨。

爱沙尼亚的Kievit炉容量很大，页岩的出油率和铝甑相比并不算太高。属于成熟炉型，正在投资中，适合中型厂。

巴西Petelaud Sikes炉容量大，处理块状页岩，与铝干馏炉相比出油率高，产高热值煤气，是一种成熟的炉型，投资高，适用于大中型工厂。

爱沙尼亚的Glot炉容量很大，可以处理颗粒页岩。与铝干馏炉相比，出油率高，产生的煤气热值高。然而，它具有复杂的结构和高的维护成本。是基本成熟的炉型。据悉，可用于年运行7200h·h的大中型工厂。

澳大利亚的Tasek炉容量大，可以处理颗粒页岩，出油率高，气体热值高。页岩油加氢后质量好，投资高，但还不够成熟。2004年停堆前，开工率只有50%，大中型工厂可以考虑采用这项技术。

3原地采矿技术

原地开采技术是指通过地下加热使油页岩在地下干馏，然后将产生的页岩油气输出到地面的技术。根据油页岩层加热方式的不同，油页岩原位开采技术可分为传导加热、对流加热和辐射加热三种类型。目前先进的原地采矿技术见表2 [7 ~ 9]。

表2原地采矿技术表

3.1外壳ICP技术

壳牌ICP(原位转化工艺)技术是唯一经过实地测试的原位开采技术。其主要原理是:通过电加热器将热量传递到地下油页岩层进行加热裂解，使油页岩中的干酪根转化为优质油气，然后通过生产井将油气提取到地面(图5)。工艺流程主要包括:首先修建冻结壁，防止地层水流入矿区，防止油气产品流失。其次，在加热井中安装电加热器，对油页岩层进行加热。最后提取干馏油气，监测水文、地质、温度、压力、水质等参数。

图5 ICP技术示意图

ICP技术特点:(1)ICP技术加热均匀，加热温度低，可开发深层低含油油页岩；(2)冻结壁可以保护地下水资源；(3)加热过程复杂，障碍多，回收率低，成本高。

从1997开始，壳牌在科罗拉多州的桃花心木进行了多次实验。2004-2005年，某试验区结果显示升温速率为2℃/d，2004年5月开始产油，2004年6月达到最大值，之后递减，2005年6月产油结束。总产油量为250吨，占Al Zan的68%。

3.2埃克森-美孚电压裂技术

Exxon-Mobil ElectrofracTM技术首先利用平行水平井水力压裂页岩，并用导电介质填充油页岩煤层中的裂缝，形成加热单元。导热介质通过传导将热量传递给页岩，使页岩中的干酪根热解，产生的油气通过油井收集到地面(图6)。

图6电压裂技术示意图

电压裂技术特点:(1)采用压裂技术提高页岩渗透率，开采致密油页岩资源；(2)副产碳酸钠，提高了经济效益；(3)采用平面热源线性导热公式，有效提高热效率；(4)没有地下水保护，容易造成水污染。

3.3 IEP燃料电池技术

利用高温燃料电池堆的反应热直接加热油页岩层，使其中的有机物热解生成烃类气体，然后引入采油井，用泵抽到地面。除了作为燃料引入燃料电池堆的一部分气体之外，大部分剩余的碳氢化合物气体被冷凝以获得油和天然气。此外，在启动过程单元中预热油页岩期间，需要将天然气引入燃料电池作为启动燃料。工艺正常运行后，能源自给。

IEP燃料电池技术特点:(1)传导加热温度分布均匀。热量通过固体间的热传导传递，大大提高了热量分布的均匀性和利用效率；(2)流体压裂造缝，提高油页岩层的孔隙度和渗透率；(3)能源自给自足。该工艺不仅能源自给，还能向外界提供电能。每生产1桶石油，发电量为174 kW·h；(4)运营成本低。运营成本约30美元/桶。如果算上电力和天然气的副产品，成本可以降到65438美元+04/桶；(5)环境保护。因为这个过程不是通过燃烧反应发电，而是通过电反应发电，所以几乎不会产生氮氧化合物、SO2等有害物质(图7)。

图7 IEP燃料电池技术示意图

3.4 PetroProbe空气加热技术

工艺流程如下:首先将压缩空气和干馏气通入燃烧器燃烧，加热到一定温度，消耗部分氧气；然后，将压缩空气和干馏气引入油页岩地层，加热油页岩，生成烃类气体；最后，产生的烃类气体被带到地面。产出的烃类气体经冷凝后得到轻油产品(图8)。

PetroProbe的空气加热技术特点:(1)注入的高温压缩空气可以使地层中的油页岩破裂，增加油页岩的孔隙度，使生成的烃类气体容易从油页岩地层中导出；(2)该过程有四种产物:氢气、甲烷、轻油和水。产生的轻烃气一部分送入燃烧器燃烧，加热送入地层的空气，能量自给。产生的二氧化碳和其他气体被泵回油页岩层，污染小，可用于开发深层油页岩矿石(可达900米深)。(3)开采后，油页岩仍能保持94% ~ 99%的原始结构完整性，从而避免地面塌陷。

3.5雷神公司的RF/CF技术

雷神公司的RF/CF(射频/临界流体)技术是一项利用射频加热和超临界流体作为载体的专利转化技术(图9)。其工艺流程为:首先将射频发射器置于地下油页岩层中加热，然后向页岩层中通入超临界CO2，将热解产生的烃类气体携带至采油井，用泵抽到地面冷凝回收。冷凝的CO2返回地层进行循环利用。

图8空气加热技术示意图

图9 RF/CF技术示意图

RF/CF的技术特点:(1)高采油率。每消耗1单位能量，产生4 ~ 5单位能量，比ICP技术的3.5单位更经济。(2)传热快，加热周期短，只需几个月；(3)用于油页岩开采时，产出的油含硫量低，可通过调节装置生产不同的产品；(4)可用于开采油页岩、油砂、重油等资源。对环境友好，无残留物质渗入地下水层；(5)选择性加热可以使指定的加热目标区域快速达到目标温度。

4结论

(1)目前制备页岩油的主要途径有开采-地面干馏工艺和原地开采技术。前者技术相对成熟，后者仍处于实验验证阶段。

(2)实验研究表明，油页岩干馏的适宜温度为500℃左右，干馏时间为65438±0h。加热速度对页岩油收率影响不大。在工业生产中，可以采用强化干馏的方法来提高加热速度，使油页岩快速达到规定的最终温度，提高效率。

(3)目前地面干馏装置存在处理量小、运转率低、出油率低等问题，需要进一步优化。

(4)以大规模、低成本、高效益为目标，各种技术的相互渗透、综合、集成和应用是原地采矿技术发展的主要方向。

参考

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